基于某柴油發電機組的高原實地試驗參數匹配優化

劉洋陽

摘 要：針對軍方客戶對產品高原性能參數要求，公司特地委派技術工程師前往青海高原地區對3kW柴油發電機組進行了不同海拔高度的測試。本文根據客戶所需柴油發電機組額定功率要求，結合高原下發動機臺架實地試驗的修正數據，計算出匹配的發動機曲軸輸出功率，結果完全符合客戶對高原下柴油發動機功率參數要求。本文同時修正了發動機和發電機高原匹配系數，提出了柴油發電機組在高原環境下的性能優化方案和其他組件的工藝措施。

關鍵字：柴油發電機組、高原、實地試驗、修正、優化

引言：

我國的高原地形具有面積廣、海拔高的特點，海拔高度在2000m～4500m的高原地區約占國土面積的37%。其中，青藏高原平均海拔超過4000m，面積約230萬平方公里，是世界上海拔最高的高原，號稱“世界脊”。青藏高原具有典型的高原氣候：大氣壓力低、空氣密度小、氣溫低、晝夜溫差大、日輻射強、蒸發量大、干燥、風沙大、水的沸點低等特點。在平原正常使用的柴油機到高原地區常出現排溫升高、功率不足、油耗增加的問題，嚴重時還會出現冒黑煙、發動機熱負荷過高、冷卻液“開鍋”、空氣濾清器堵塞等“水土不服”的問題。

隨著高原地區柴油機使用的增多，內燃機高原適應性問題得到越來越多的關注和研究。內燃機高原性能研究的主要手段有：高原環境仿真計算、高原環境模擬試驗、高原環境實地試驗。前兩者難以完全勝任柴油機環境適應性的研究工作，本文則通過實地試驗測量的數據計算分析并修正部分性能參數，同時提出了一些優化發動機組高原性能的方案和工藝措施。

1.高原環境使用要求

1）高度啟動和帶載能力：海拔高度不小于4500m自然條件下，機組經3次啟動應能成功，并能在啟動后5min內輸出規定功率。

2）高原規定功率輸出：海拔高度3000m、環境溫度30℃、相對濕度90%時，輸出額定功率3kW;海拔高度4500m時，輸出規定功率不低于額定功率的80%。

3）高原連續工作能力：海拔高度4500m時，機組應能按規定功率、額定電壓、額定頻率、額定功率因數正常連續工作4h。

2.柴油機高原優化方案

1）壓縮比

隨著海拔升高，大氣環境氣壓降低，柴油發動機的功率會隨著海拔的高度而損失功率，所以我們必須在生產過程中，需要對發動機的壓縮比做一定的調整。在不大改動原構造的基礎上提高壓縮比（燃燒室容積縮小），進而提高熱效率，提高壓縮終了的溫度和壓力，增加膨脹比，加快燃燒速度。

優化后措施：壓縮余隙由原來的70mm，調整為50mm。

2）供油提前角

考慮到高原環境下點火延遲傾向，調整柴油機的供油提前角，在高海拔的狀態下可以提高柴機油的工作性能。

優化后措施：由原來的21度，調整為19度。

3）低溫冷起動

采用進氣預熱和氣缸燃燒室預熱可以提高進氣溫度，滿足-40℃溫度啟動要求，保證機組3次啟動成功且5分鐘內完成規定功率。

3.柴油機高原環境實地試驗

試驗要求，海拔高度≤4500m，環境溫度30℃、相對濕度90%。

1）發動機方案優化后，在高原環境下標定試驗結果匯總：

2）高原標定試驗性能曲線圖（見圖2）

4.高原環境功率匹配計算分析

為滿足高原環境適應性需求，首要考慮因素為柴油發電機組的額定功率，應根據柴油發電機組的額定功率計算柴油機的輸出持續功率，進而選擇可輸出需求持續功率的柴油機機型。

柴油發電機組的工作條件是指在規定的使用環境條件下保證輸出額定功率，并且可靠地連續運行。柴油發電機組的額定功率PH按下式計算：

式中：

Pe---柴油機持續輸出功率（柴油機曲軸輸出功率），kW;

k1---柴油機功率修正系數;

k2---環境條件規定的最高海拔對應的柴油機修正系數;

η---同步交流發電機效率。

注：風冷柴油機功率修正主要取決于海拔高度和溫度，規定海拔高度不超過1000m且環境溫度不超過30℃，不需要修正功率參數;海拔高度不超過1000m，環境溫度超過30℃，僅對溫度進行修正。

對于連續長期工作的機組，柴油機功率修正系數k1=0.9;對于連續工作時間不超過12h的機組k1=1.0。考慮軍用電站選用柴油機的功率儲備及連續運行，取k1=0.9。

同一海拔高度下，溫度越高，柴油機海拔修正系數越小。根據WS186FA柴油機的海拔功率修正曲線，在海拔高度3000m、環境溫度30℃時，該柴油機的輸出功率需修正（額定輸出4.3kW）;在海拔高度4500m、環境溫度30℃時，該柴油機的輸出功率為3.4kW。機組選用的電機同步交流電機效率η=87.3%，因此最高海拔修正系數K2=0.79。

根據高原環境使用要求第二條，海拔高度4500m時，輸出規定功率不低于額定功率的80%。若機組輸出功率為2.4kW最小時，根據公式柴油機曲軸輸出功率為：

修正計算后的數據與實地試驗數據完全匹配相符。因此，WS186FA柴油機的額定輸出功率為5.7kW，滿足客戶要求。

3kW機組選用的同步交流電機型號為LCN3KW360V27-D186FAD，該發電機在海拔1000m、環境溫度40℃時，額定功率為4.5kW。該電機的海拔和環境溫度功率修正如下：

海拔超過1500m，每升高500m，功率下降3%;環境溫度超過30℃，每上升5℃，功率下降3%。在海拔高度3000m、環境溫度30℃時，電機功率修正系數：η=0.88

則：發電機滿足機組功率輸出要求。

5.滿足高原適應性要求的工藝措施

1）發電機

a）根據海拔功率修正選型發電機，確保發電機功率滿足電站的高原適應性要求;

b）發電機機座上靠近鐵心位置安裝防潮加熱器對電機內部除濕、烘干;

c）定子繞組埋置測溫元件檢測定子繞組溫度，絕緣等級為 H級;

d）采用真空壓力浸漆工藝，保證發電機在高原環境下的絕緣性能。

2）其他工藝措施

a）油箱等容器在設計時，確保強度，避免低氣壓膨脹或爆裂;

b）對裸露的導線采用具有抗紫外輻射性能尼龍軟進行防護;

c）機組外表面噴涂具有抗紫線輻射性能的氟碳漆面漆。

d）電氣元器件選型充分考慮了絕緣和耐壓等級，電氣元器件的排布增大引線間的距離;

6.結語

綜上所述：本文根據客戶對產品高原下的需求結合實地試驗數據，分析計算出符合發電機組相匹配的發動機曲軸輸出功率，結果完全滿足客戶要求。同時針對高原環境下的發動機組，提出了部分優化方案及工藝措施。

參考文獻

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